雙向波浪荷載對(duì)跨海大橋基礎(chǔ)的作用

朱思蓉　王華

摘要：為了研究波浪荷載對(duì)某跨海大橋橋墩基礎(chǔ)產(chǎn)生的動(dòng)力特性，并分析不同荷載幅值對(duì)基礎(chǔ)的影響，文章以某跨海大橋?yàn)楣こ瘫尘?，運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，從基礎(chǔ)累積位移、速度、加速度以及累積轉(zhuǎn)角等四個(gè)方面對(duì)其變化規(guī)律進(jìn)行總結(jié)分析，從而為跨海大橋橋墩基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)提供參考。研究結(jié)果表明，在進(jìn)行跨海大橋基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)時(shí)，不能忽略短期荷載對(duì)其穩(wěn)定性的影響。

關(guān)鍵詞：跨海大橋;Plaxis;基礎(chǔ)累積位移;累積轉(zhuǎn)角;波浪荷載

中國(guó)分類號(hào)：U443.16文章標(biāo)識(shí)碼：A301164

0 引言

近年來(lái)，隨著港珠澳跨海大橋、平潭海峽大橋、杭州灣大橋等跨海大橋的興建，一系列技術(shù)問(wèn)題也隨之產(chǎn)生?？绾４髽虿粌H面臨水深急流、海床條件復(fù)雜等工程地質(zhì)的考驗(yàn)，還面臨臺(tái)風(fēng)、巨浪、暴風(fēng)雨等惡劣的海洋環(huán)境，這類荷載的累積效應(yīng)對(duì)跨海大橋穩(wěn)定性與安全性的影響不可忽略[1-2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)海上結(jié)構(gòu)在荷載作用下的特性開(kāi)展了諸多研究。孫希使用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和模型試驗(yàn)對(duì)海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)在水平靜荷載作用下樁土之間的相互作用進(jìn)行了分析研究，研究表明規(guī)范推薦使用的p-y法用于計(jì)算海上大直徑單樁基礎(chǔ)，其結(jié)果過(guò)于保守[3]。朱斌等人開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比研究水平單調(diào)荷載與循環(huán)荷載對(duì)海上樁基礎(chǔ)的影響，研究表明不同時(shí)段的循環(huán)荷載對(duì)樁基循環(huán)累積變形存在疊加效應(yīng)[4]。Andersen等通過(guò)室內(nèi)三軸試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)海洋軟黏土存在顯著的循環(huán)弱化現(xiàn)象[5]。若地基土為軟黏土?xí)r，應(yīng)考慮弱化現(xiàn)象帶來(lái)的影響。張光建使用有限元軟件對(duì)海上風(fēng)電單樁在循環(huán)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究分析，其研究表明，波浪荷載對(duì)海上結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期作用所造成的影響是不可忽視的[6]。

雖然國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者針對(duì)海上樁基礎(chǔ)在水平單調(diào)荷載和循環(huán)荷載作用下樁基的受力變形開(kāi)展了相應(yīng)的研究，但是其研究對(duì)象多為海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)。鑒于國(guó)內(nèi)跨海大橋的興建，橋的下部基礎(chǔ)作為其承重部分，對(duì)橋梁整體穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要，因此，開(kāi)展在波浪荷載作用下跨海大橋樁基礎(chǔ)的動(dòng)力響應(yīng)研究具有重大工程意義。本文使用有限元軟件分析不同循環(huán)荷載對(duì)樁身累積位移、累積轉(zhuǎn)角的影響，為跨海大橋樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)分析提供一些參考。

1 工程概況

本文以某跨海大橋作為工程背景，該海域土體以中密砂土層作為持力層，地表下20～25 m的土體為軟土。從地質(zhì)條件考慮，該海域采用自重輕、抗彎能力好的鋼管樁基礎(chǔ)作為跨海大橋的基礎(chǔ)形式。該橋北起嘉興，南止寧波，全長(zhǎng)36 km，其中大直徑超長(zhǎng)鋼管樁基礎(chǔ)橋段長(zhǎng)118.27 km。鋼管樁分別有1.5 m和1.6 m兩種規(guī)格，其中1.5 m的樁基礎(chǔ)2 524根，1.6 m的樁基礎(chǔ)1 860根。

2 模型設(shè)置

2.1 土體設(shè)置與樁基礎(chǔ)

跨海大橋樁基礎(chǔ)多為超長(zhǎng)柔性薄壁鋼管樁，因此采用板單元進(jìn)行模擬，在數(shù)值模擬中模擬的樁基礎(chǔ)長(zhǎng)徑比為40。其具體參數(shù)詳見(jiàn)表1。

本文采用摩爾-庫(kù)倫模型來(lái)模擬地基土，在數(shù)值模擬中通常采用人工截?cái)噙吔鐏?lái)模擬真實(shí)工程中的半無(wú)限地基土，因此為了盡可能地減小邊界效應(yīng)對(duì)數(shù)值模擬的影響，土體長(zhǎng)度設(shè)置為20倍樁徑，高為2倍樁長(zhǎng)。

土體為半無(wú)限彈性體，在建模過(guò)程中土體頂部邊界為自由邊界條件，不約束土體位移。土體、結(jié)構(gòu)及界面均采用默認(rèn)10節(jié)點(diǎn)四面體單元。為了提高計(jì)算精度，本文在基礎(chǔ)周圍設(shè)置網(wǎng)格加密區(qū)，最終生成14 735個(gè)單元、14 539個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元計(jì)算模型設(shè)置如圖1（a）所示。

在建立模型時(shí)，除了要考慮邊界效應(yīng)對(duì)模型的影響外，還要明確初始應(yīng)力狀態(tài)和初始構(gòu)造對(duì)模型的影響。在跨海大橋樁基礎(chǔ)的研究中，橋墩一般位于海上或水位較高的沿海區(qū)域，因此進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)也要遵循實(shí)際情況設(shè)置相應(yīng)水位高度。模型水頭設(shè)置如圖1（b）所示，表示初始水位線位于土體上方20 m處，整個(gè)土體充滿了水。

2.2 分析步驟

在PLAXIS中有自由邊界、黏性邊界等。在動(dòng)力分析中，波的反射與吸收會(huì)顯著影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性與真實(shí)性，若模擬中采用簡(jiǎn)單的靜力人工邊界則無(wú)法正確計(jì)算結(jié)構(gòu)或地基土的動(dòng)力響應(yīng)，因此本文采用黏性邊界來(lái)作為動(dòng)力邊界，用以吸收外行波的能量[7]。

波浪荷載作用下樁-土之間相互作用的分析主要分為以下三步：（1）使用k0加載生成初始應(yīng)力場(chǎng);（2）安裝鋼管樁基礎(chǔ)，激活基礎(chǔ)與正負(fù)界面單元，使之產(chǎn)生相互作用;（3）將放置在地基土中的樁基礎(chǔ)位移重置為0，并在樁頂施加波浪荷載。波浪荷載為循環(huán)往復(fù)動(dòng)荷載，因此在計(jì)算類型選項(xiàng)卡下需要設(shè)置為動(dòng)力模式。在模擬計(jì)算中為了便于得到更詳細(xì)的計(jì)算結(jié)果，在步驟選項(xiàng)中設(shè)置單步最大荷載步為0.1。

3 結(jié)果分析

3.1 樁基礎(chǔ)位移

跨海大橋橋墩在循環(huán)波浪荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性研究中，樁基礎(chǔ)直徑、地基土性質(zhì)以及荷載幅值大小、方向都是影響動(dòng)力響應(yīng)分析的重要因素[1]。本文主要研究了不同循環(huán)荷載幅值對(duì)跨海大橋樁基礎(chǔ)的動(dòng)力特性影響，為跨海大橋樁基礎(chǔ)的選擇與設(shè)計(jì)提供參考。

為探討荷載幅值對(duì)跨海大橋樁基礎(chǔ)的影響，分別將A=100 kN、A=400 kN以及A=700 kN施加在樁基礎(chǔ)的頂端，得到不同循環(huán)荷載作用下樁基礎(chǔ)的動(dòng)力結(jié)果。圖4（a）是不同荷載作用下的樁基礎(chǔ)位移隨時(shí)間變化的曲線，圖4（b）是循環(huán)荷載結(jié)束時(shí)樁基礎(chǔ)位移沿深度變化的曲線。由圖4（a）可知，波浪荷載作用在樁基礎(chǔ)頂部時(shí)，單樁基礎(chǔ)的時(shí)間-位移曲線呈現(xiàn)周期性變化，荷載幅值不改變其變化規(guī)律，僅改變位移大小;荷載越大，基礎(chǔ)所產(chǎn)生位移越大。究其因，在循環(huán)荷載作用下，樁基礎(chǔ)周圍土體受到循環(huán)往復(fù)剪切，其剛度退化現(xiàn)象逐漸加強(qiáng)，對(duì)樁基礎(chǔ)的約束減小，從而使得樁基位移值隨波浪荷載幅值的增大而增大，并且荷載幅值大小對(duì)樁基周圍土體的影響范圍也將隨著荷載幅值的增減而產(chǎn)生相應(yīng)變化。

圖4（b）反映了經(jīng)歷10次循環(huán)荷載后樁基礎(chǔ)最終的循環(huán)累積位移?？梢郧宄乜吹剑瑢?duì)于柔性鋼管樁，循環(huán)荷載幅值變化對(duì)靠近荷載部分影響較大，對(duì)于遠(yuǎn)離荷載的樁端影響不明顯，最終累積位移沿著樁身逐漸減小。在荷載幅值為100 kN時(shí)，樁基礎(chǔ)最終的累積位移為0.05 m。當(dāng)荷載幅值由100 kN增加為400 kN時(shí)，樁基礎(chǔ)最終的累積位移為0.13 m，增加了160%。荷載幅值由400 kN增加為700 kN時(shí)，樁基礎(chǔ)最終的累積位移為0.64 m，增加了392%。這表明，當(dāng)荷載增量一致時(shí)，樁基礎(chǔ)累積位移增量曲線斜率變陡。波浪荷載幅值的改變對(duì)跨海大橋樁基礎(chǔ)的位移影響不可忽略，并且要注意海洋極端荷載對(duì)其的影響。

當(dāng)荷載幅值達(dá)到700 kN時(shí)，樁基礎(chǔ)將出現(xiàn)比較劇烈的搖晃，這種荷載幅值較大的情況，可以視為實(shí)際海洋環(huán)境中的極端荷載，因此為了應(yīng)對(duì)海洋中的極端環(huán)境，在跨海大橋樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行地基加固處理，或選擇別的方法減少樁基礎(chǔ)的循環(huán)累積位移。

3.2 速度與加速度

圖5是不同循環(huán)荷載作用下樁基礎(chǔ)的速度與加速度圖。由圖可知，無(wú)論是加速度曲線還是速度曲線都呈現(xiàn)上下波動(dòng)的情況，并且在第一個(gè)循環(huán)中速度與加速度達(dá)到最大，在后續(xù)循環(huán)中速度與加速度絕對(duì)值趨于穩(wěn)定。

對(duì)比圖5（a）和圖5（b）可以清楚地看到，波浪荷載幅值為100 kN時(shí)，樁基礎(chǔ)速度最大值為0.3 m/s。波浪荷載幅值為400 kN時(shí)，樁基礎(chǔ)速度最大值為1.0 m/s。荷載幅值為700 kN時(shí)，樁基礎(chǔ)速度最大值為3.5 m/s。這表明，波浪荷載幅值越大樁基礎(chǔ)的速度越大，最終產(chǎn)生的累積位移越大。這與圖4樁基礎(chǔ)的位移曲線相符。[KH-*1]

3.3 累積位移轉(zhuǎn)角

水平靜荷載和波浪荷載對(duì)跨海大橋樁基礎(chǔ)的影響遠(yuǎn)大于上部豎向荷載產(chǎn)生的影響[9]。樁基礎(chǔ)在波浪荷載作用下會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)傾斜，使得樁基礎(chǔ)與地表之間產(chǎn)生夾角，夾角的產(chǎn)生會(huì)使得樁基礎(chǔ)的不穩(wěn)定性增加，超過(guò)特定角度，基礎(chǔ)會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。因此，分析波浪荷載作用下累積轉(zhuǎn)角是很有必要的。各國(guó)對(duì)傾斜角度的上限也不一樣，德國(guó)和英國(guó)規(guī)定單樁最大旋轉(zhuǎn)量上限分別是0.5°與0.25°[9]，我國(guó)單樁旋轉(zhuǎn)角度嚴(yán)格限制在0.17°[10]。

圖6給出了該樁在不同波浪荷載作用下的累積轉(zhuǎn)角圖。從圖可知，經(jīng)歷10個(gè)循環(huán)周期后，基礎(chǔ)在雙向循環(huán)荷載作用下產(chǎn)生的累積位移轉(zhuǎn)角隨著荷載幅值的增大而增加，并且曲線斜率變陡。當(dāng)循環(huán)荷載幅值為100 kN時(shí)，樁基礎(chǔ)幾乎不產(chǎn)生轉(zhuǎn)角。當(dāng)荷載從100 kN增加到400 kN時(shí)，基礎(chǔ)累積位移轉(zhuǎn)角超過(guò)了0.003 rad。當(dāng)荷載從400 kN增加到700 kN時(shí)，累積位移轉(zhuǎn)角增加了460%。隨著荷載比的增加，累積轉(zhuǎn)角之間差異明顯。究其因，在基礎(chǔ)頂端施加荷載，荷載沿樁身向下傳遞，造成樁周土體受到擾動(dòng)，土體會(huì)產(chǎn)生可恢復(fù)的彈性變形和不可恢復(fù)的塑性變形[11]。在荷載較小時(shí)，土體以彈性變形為主，產(chǎn)生的塑性變形較小，使得最終的累積轉(zhuǎn)角位移較小。而隨著荷載的增大，土體的塑性變形逐漸增加，在雙向往復(fù)荷載作用下土體也產(chǎn)生累積效應(yīng)，最終導(dǎo)致基礎(chǔ)累積轉(zhuǎn)角增加。

因此，在對(duì)跨海大橋橋墩基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮短期極端荷載，例如海上風(fēng)暴、海嘯等對(duì)橋墩穩(wěn)定性的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)比分析不同波浪荷載對(duì)跨海大橋樁基礎(chǔ)位移與轉(zhuǎn)角的影響，通過(guò)上述有限元分析，得到以下主要結(jié)論：

（1）樁基礎(chǔ)的位移曲線隨時(shí)間出現(xiàn)上下波動(dòng)，由于土體動(dòng)應(yīng)變特性中的滯后性，使得樁體波動(dòng)趨勢(shì)與施加的波浪荷載規(guī)律不完全一致。并且樁基礎(chǔ)累積位移隨著雙向?qū)ΨQ循環(huán)荷載幅值的增加而增加。當(dāng)荷載幅值較大時(shí)，需要對(duì)跨海大橋樁基礎(chǔ)進(jìn)行地基加固處理，或選擇別的方法減少樁基礎(chǔ)的循環(huán)累積位移，增加樁基穩(wěn)定性。

（2）土體的變形特性，使得基礎(chǔ)累積位移轉(zhuǎn)角隨著循環(huán)荷載幅值的增大而增加。當(dāng)荷載超過(guò)某個(gè)特定值時(shí)，累積位移轉(zhuǎn)角將超過(guò)我國(guó)樁基礎(chǔ)的規(guī)定，使其處于危險(xiǎn)狀態(tài)。因此，在對(duì)跨海大橋橋墩基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮短期極端荷載對(duì)橋墩穩(wěn)定性的影響。

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